JP2009130679A - Solid-state image sensor, method of driving solid-state image sensor, and imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子、固体撮像素子の駆動方法および撮像装置に関し、特に単位画素ごとに増幅機能を持つ固体撮像素子、当該固体撮像素子の駆動方法および当該固体撮像素子を用いた撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device, a solid-state imaging device driving method, and an imaging apparatus, and more particularly to a solid-state imaging device having an amplification function for each unit pixel, the solid-state imaging device driving method, and an imaging apparatus using the solid-state imaging device. .
単位画素ごとに増幅機能を持つ固体撮像素子として、CMOS集積回路と同様のプロセスで製造できるCMOS型(または、MOS型)の固体撮像素子(以下、「CMOSイメージセンサ」と記述する)が知られている(例えば、特許文献1参照)。 As a solid-state imaging device having an amplification function for each unit pixel, a CMOS (or MOS-type) solid-state imaging device (hereinafter referred to as “CMOS image sensor”) that can be manufactured by a process similar to a CMOS integrated circuit is known. (For example, refer to Patent Document 1).
CMOSイメージセンサは、CMOSプロセスに付随した微細化技術により、単位画素ごとに増幅機能を持つアクティブ型の構造を容易に作ることができ、また画素アレイ部を駆動する駆動回路や、画素アレイ部の各画素から出力される信号を処理する信号処理回路などの周辺回路部を、画素アレイ部と同一チップ(基板)上に集積できるという特長を持っている。 The CMOS image sensor can easily make an active structure having an amplification function for each unit pixel by a miniaturization technique associated with the CMOS process, and can drive a pixel array unit or a pixel array unit. A peripheral circuit unit such as a signal processing circuit that processes a signal output from each pixel can be integrated on the same chip (substrate) as the pixel array unit.
図12に、単位画素の構成の一例を示す。図12に示すように、単位画素100は、光電変換素子101、転送トランジスタ102、リセットトランジスタ103、増幅トランジスタ104および選択トランジスタ105を有する構成となっている。
FIG. 12 shows an example of the configuration of the unit pixel. As shown in FIG. 12, the unit pixel 100 has a configuration including a
図13に、選択トランジスタ105を駆動する選択信号SEL、リセットトランジスタ103を駆動するリセット信号RSTおよび転送トランジスタ102を駆動する転送信号TRFのタイミング関係を示す。
FIG. 13 shows a timing relationship between the selection signal SEL for driving the
図13から明らかなように、選択信号SELは、時刻t11から時刻t18の期間でアクティブ(高レベル)状態になる。リセット信号RSTは、選択信号SELのアクティブ期間内における時刻t12から時刻t13の期間でアクティブ状態になる。転送信号TRFは、選択信号SELのアクティブ期間内における時刻t13よりも後の時刻t15から時刻t16の期間でアクティブ状態になる。 As is apparent from FIG. 13, the selection signal SEL is in an active (high level) state during a period from time t11 to time t18. The reset signal RST becomes active during the period from time t12 to time t13 within the active period of the selection signal SEL. The transfer signal TRF becomes active in a period from time t15 to time t16 after time t13 in the active period of the selection signal SEL.
続いて、図13のタイミングチャートを基に、図14〜図17のポテンシャル図を用いて、単位画素100の動作について説明する。 Next, based on the timing chart of FIG. 13, the operation of the unit pixel 100 will be described using the potential diagrams of FIGS. 14 to 17.
時刻t11で選択トランジスタ105がオンし、単位画素100が選択された状態において、時刻t12でリセットトランジスタ103がオンすると、増幅トランジスタ104のゲート電極に接続されているノード(フローティングディフュージョン)FDの電位が電源電圧Vddにリセットされる。このとき、画素出力線110の電位も高くなっている(図14参照)。
When the
時刻t13でリセットトランジスタ103がオフすると、リセットトランジスタ103の寄生容量によるカップリングでノードFDの電位および画素出力線110の電位が下がる。この状態において、時刻t14のタイミングでノードFDの電位がリセットレベルとして増幅トランジスタ104および選択トランジスタ105を通して画素出力線110に読み出される(図15参照)。
When the
次に、時刻t15で転送トランジスタ102がオンすることで、光電変換素子101に蓄積されていた電荷が転送トランジスタ102を通してノードFDに読み出される。これにより、ノードFDの電位が下がる(図16参照)。そして、時刻t16で転送トランジスタ102がオフした後、時刻t17のタイミングでノードFDの電位が信号レベルとして増幅トランジスタ104および選択トランジスタ105を通して画素出力線110に読み出される(図17参照)。
Next, when the
上述した特許文献1記載の従来技術では、リセットトランジスタ103がオンする前に選択トランジスタ105がオンする駆動タイミングとなっているために、リセットトランジスタ103がオフするタイミングで、リセットトランジスタ103の寄生容量によるカップリングによってノードFDの電位が下がり、ポテンシャルが電源電圧Vddに対応したレベル(一点鎖線)よりも浅くなる(図15参照)。ノードFDの電位が下がるということは、転送トランジスタ102がオンしたときの当該転送トランジスタ102のゲート下とノードFDとの間の電位差が少なくなることを意味する。
In the prior art described in
そして、転送トランジスタ102がオンしたときに、転送トランジスタ102がオンしたときの当該転送トランジスタ102のゲート下とノードFDとの電位差が少ないと、転送トランジスタ102による光電変換素子101からノードFDへの電荷の転送を完全に行えなく、電荷の読み残し(転送残り)が発生する可能性がある。電荷の読み残しがあると、現フレームの画の情報が次フレームに残ることになるために、例えば動いている被写体を撮像したときに、次フレームでは現フレームの像が残るような画になり、画質の観点から問題になる。
When the
そこで、本発明は、転送トランジスタによる光電変換素子から増幅トランジスタのゲート入力ノードへの電荷の転送をより確実に行うことが可能な固体撮像素子、当該固体撮像素子の駆動方法および当該固体撮像素子を用いた撮像装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a solid-state imaging device capable of more reliably transferring charges from the photoelectric conversion element by the transfer transistor to the gate input node of the amplification transistor, a method for driving the solid-state imaging element, and the solid-state imaging element. An object is to provide an imaging apparatus used.
上記目的を達成するために、本発明は、光電変換素子、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタおよび選択トランジスタを含む単位画素が複数配置され、前記選択トランジスタによって前記単位画素を選択し、前記リセットトランジスタによって前記増幅トランジスタのゲート入力ノードをリセットし、前記転送トランジスタによって前記光電変換素子から前記増幅トランジスタのゲート入力ノードに電荷を転送する固体撮像素子において、前記リセットトランジスタを駆動するリセット信号をアクティブ状態にし、前記リセット信号のアクティブ状態から非アクティブ状態への遷移後または前記リセット信号のアクティブ期間内に、前記選択トランジスタを駆動する選択信号をアクティブ状態にし、前記選択トランジスタのアクティブ期間内に前記転送トランジスタを駆動する転送信号をアクティブ状態にする構成を採っている。 To achieve the above object, according to the present invention, a plurality of unit pixels including a photoelectric conversion element, a transfer transistor, a reset transistor, an amplification transistor, and a selection transistor are arranged, the unit pixel is selected by the selection transistor, and the reset transistor In the solid-state imaging device in which the gate input node of the amplification transistor is reset by the transfer transistor and charges are transferred from the photoelectric conversion element to the gate input node of the amplification transistor by the transfer transistor, a reset signal for driving the reset transistor is activated. After the transition of the reset signal from the active state to the inactive state or within the active period of the reset signal, the selection signal for driving the selection transistor is made active and the selection transistor Adopts a configuration in which the active state of the transfer signal for driving the transfer transistor in the active period of the data.
上記構成の固体撮像素子および当該固体撮像素子を用いた撮像装置において、選択信号をアクティブ状態にするタイミングを、リセット信号がアクティブ状態から非アクティブ状態へ遷移した後(または、リセット信号のリセット期間中)に設定することで、リセットトランジスタのオフ時の当該リセットトランジスタの寄生容量によるカップリングによって下がった増幅トランジスタのゲート入力ノードの電位を、その後選択トランジスタがオンするタイミングで、当該選択トランジスタの寄生容量によるカップリングによって増幅トランジスタのゲート入力ノードの電位を逆に持ち上げることができる。これにより、転送トランジスタがオンしたときの当該転送トランジスタのゲート下と増幅トランジスタのゲート入力ノードとの間の電位差が大きくなる。 In the solid-state imaging device having the above-described configuration and the imaging apparatus using the solid-state imaging device, the timing for setting the selection signal to the active state is after the reset signal transitions from the active state to the inactive state (or during the reset period of the reset signal) ), The potential of the gate input node of the amplification transistor, which is lowered by the coupling due to the parasitic capacitance of the reset transistor when the reset transistor is turned off, is set to the parasitic capacitance of the selection transistor at a timing when the selection transistor is subsequently turned on. The potential at the gate input node of the amplifying transistor can be raised by the coupling due to. This increases the potential difference between the gate of the transfer transistor and the gate input node of the amplification transistor when the transfer transistor is turned on.
本発明によれば、転送トランジスタがオンしたときの当該転送トランジスタのゲート下と増幅トランジスタのゲート入力ノードとの間の電位差を大きくできるために、光電変換素子から増幅トランジスタのゲート入力ノードへの電荷の転送をより確実に行うことが可能になる。 According to the present invention, since the potential difference between the gate of the transfer transistor and the gate input node of the amplification transistor when the transfer transistor is turned on can be increased, the charge from the photoelectric conversion element to the gate input node of the amplification transistor can be increased. Can be transferred more reliably.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明が適用される固体撮像素子のシステム構成の概略を示すブロック図である。ここでは、固体撮像素子として、例えばCMOSイメージセンサの場合を例に挙げて説明するものとする。 FIG. 1 is a block diagram showing an outline of a system configuration of a solid-state imaging device to which the present invention is applied. Here, the case of a CMOS image sensor, for example, will be described as an example of the solid-state imaging device.
[システム構成]
図1において、画素アレイ部11、垂直駆動回路12、シャッタ駆動回路13、CDS(Correlated Double Sampling;相関二重サンプリング)回路14、水平駆動回路(列選択回路)15、AGC(Automatic Gain Control;自動利得制御)回路16、A/D(アナログ/デジタル)変換回路17およびタイミングジェネレータ18等が基板(チップ)19上に集積されている。
[System configuration]
In FIG. 1, a
以下、基板19上に画素アレイ部11およびその周辺回路部(12〜18)を搭載してなる半導体チップをセンサチップ10と呼ぶものとする。
Hereinafter, a semiconductor chip in which the
画素アレイ部11は、一つまたは複数の光電変換素子を含む単位画素(以下、単に「画素」と記述する場合もある)が2次元アレイ状に配置され、これら単位画素の配列に対して各画素の信号を出力する画素出力線や、各画素を駆動する各種の制御線が配線された構成となっている。
In the
単位画素としては、入射光を光電変換して蓄積する光電変換素子、当該光電変換素子から浮遊拡散領域(フローティングディフュージョン領域)に信号電荷を読み出す読み出し手段、前記浮遊拡散領域をリセットするリセット手段および前記浮遊拡散領域に読み出された信号電荷を増幅する増幅手段を少なくとも構成要素として含むものが用いられる。この種の単位画素の具体的な回路例については後述する。 The unit pixel includes a photoelectric conversion element that photoelectrically converts incident light and stores it, a reading unit that reads signal charges from the photoelectric conversion element to a floating diffusion region (floating diffusion region), a reset unit that resets the floating diffusion region, and A device including at least amplifying means for amplifying the signal charge read to the floating diffusion region as a component is used. A specific circuit example of this type of unit pixel will be described later.
垂直駆動回路12は、画素アレイ部11の各画素を行単位で読み出し行として選択し、信号読み出し動作やリセット動作を行うための駆動信号を画素アレイ部11に供給する。シャッタ駆動回路13は、垂直駆動回路12と同様に画素アレイ部11の各画素を行単位で選択するものである。このシャッタ駆動回路13において、垂直駆動回路12との駆動間隔を調節することにより、光電変換素子の露光時間(蓄積時間)を調節することができる。
The
CDS回路14は、画素アレイ部11の1画素列または複数画素列ごとに配置され、垂直駆動回路12によって選択された行から読み出された信号をCDS処理する。具体的には、各画素からリセットレベルと信号レベルとを受け取り、両者の差を取ることにより、画素ごとの固定パターンノイズを除去(キャンセル)する。
The
水平駆動回路15は、CDS回路14においてCDS処理された後、各列ごとに保存されている信号を順番に選択する。AGC回路16は、水平駆動回路15によって選択された列の信号を適当なゲインで増幅する。A/D変換回路17は、AGC回路16で増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換してチップ19外へ出力する。
The
タイミングジェネレータ18は、各種のタイミング信号を生成し、垂直駆動回路12、シャッタ駆動回路13、CDS回路14、水平駆動回路15、AGC回路16、A/D変換回路17の各々を駆動する。
The
以上の構成は、CMOSイメージセンサの一例であり、これに限られるものではない。すなわち、A/D変換回路17をセンサチップ10内に持たない構成のもの、各画素列ごとに持つ構成のもの、CDS回路14を一つだけ持つ構成のもの、CDS回路14、AGC回路16等を含む出力系統を複数持つ構成のもの等であっても良い。
The above configuration is an example of a CMOS image sensor and is not limited to this. That is, a configuration without the A /
図2に、画素アレイ部11およびその周辺回路部の具体的な構成の一例を示す。図2において、図1と同等部分には同一符号を付して示している。ここでは、図面の簡略化のために、画素アレイ部11の画素配列を2行3列の画素配列として示している。なお、図2では、画素アレイ部11に対するCDS回路14および水平駆動回路15の配置関係が図1の場合と上下逆になっている。
FIG. 2 shows an example of a specific configuration of the
(画素アレイ部)
画素アレイ部11には、単位画素20が行列状に2次元配置されており、この行列状の画素配列に対して、列ごとに画素出力線31が配線され、行ごとに各種の制御線、具体的には転送信号線32、リセット信号線33および選択信号線34の3本の制御線が配線されている。画素アレイ部11にはさらに、単位画素20の各々に電源電圧Vddを供給する電源電圧供給線35が例えば格子状に配線されている。
(Pixel array part)
In the
(単位画素)
単位画素20は、光電変換素子21、転送トランジスタ22、増幅トランジスタ23、リセットトランジスタ24および選択トランジスタ25を有する4トランジスタの構成となっている。転送トランジスタ22、増幅トランジスタ23、リセットトランジスタ24および選択トランジスタ25は、例えばN型MOSトランジスタである。ただし、N型MOSトランジスタに限られるものではなく、P型MOSトランジスタを用いることも可能である。
(Unit pixel)
The unit pixel 20 has a four-transistor configuration including a
光電変換素子21は、アノード電極がグランドに接続されており、入射した光をその光量に応じた電子(または、正孔)の電荷に光電変換して蓄積する。
The
転送トランジスタ22は、ソース電極が光電変換素子21のカソード電極に、ゲート電極が転送信号線32に、ドレイン電極が増幅トランジスタ23のゲート入力部であるノード(フローティングディフュージョン)FDにそれぞれ接続されている。この転送トランジスタ22は、転送信号線32を通してゲート電極に与えられる転送信号TRFがアクティブ(高レベル/電源電圧Vdd)になるとオン状態になって、光電変換素子21内に蓄積された電荷をノードFDに転送する。
In the
増幅トランジスタ23は、ゲート電極がノードFDに、ドレイン電極が電源電圧供給線35に、ソース電極が選択トランジスタ25のドレイン電極にそれぞれ接続されている。この増幅トランジスタ23は、転送トランジスタ22によって光電変換素子21からノードFDに転送された電荷に応じた電圧をソース側に出力する。
The
リセットトランジスタ24は、ソース電極がノードFDに、ドレイン電極が電源電圧供給線35に、ゲート電極がリセット信号線33にそれぞれ接続されている。このリセットトランジスタ24は、リセット信号線33を通してゲート電極に与えられるリセット信号RSTがアクティブになるとオン状態になって、ノードFDの電位を電源電圧供給線35の電位(電源電圧Vdd)にリセットする。
The
選択トランジスタ25は、ドレイン電極が増幅トランジスタ23のソース電極に、ゲート電極が選択信号線34に、ソース電極が画素出力線31にそれぞれ接続されている。この選択トランジスタ25は、選択信号線34を通してゲート電極に与えられる選択信号SELがアクティブ状態になるとオン状態になって、増幅トランジスタ23のソース電極と画素出力線31との間を導通させる。
The
画素出力線31には、行数分の単位画素20が並列に接続されている。この画素出力線31の一方の端部は、CDS回路14の列ごとの入力端に接続されている。また、画素出力線31の他方の端部は、トランジスタ36を介して接地されている。
The pixel output lines 31 are connected in parallel with the unit pixels 20 corresponding to the number of rows. One end of the pixel output line 31 is connected to the input end of each column of the
トランジスタ36は、ある一定の電流を供給するような飽和領域動作をするように、ゲート電極がバイアス電源37によって一定の電圧でバイアスされている。すなわち、トランジスタ36は、定電流源として動作する定電流トランジスタである。
In the
この定電流トランジスタ36は、選択された行の単位画素20の増幅トランジスタ23に定電流を供給し、当該増幅トランジスタ23をソースフォロアとして動作させる。これにより、増幅トランジスタ23のゲート電位、即ちノードFDの電位とある一定の電位差を持つ電圧が画素出力線31に読み出される。
The constant
なお、ここでは、単位画素20として、選択トランジスタ25を増幅トランジスタ23のソース電極と画素出力線31との間に設けた構成のものを例に挙げたが、選択トランジスタ25を電源電圧供給線36と増幅トランジスタ23のドレイン電極との間に設けた構成のものであってもよい。
In this example, the unit pixel 20 has a configuration in which the
(垂直駆動回路)
垂直駆動回路12は、垂直選択回路121とその後段のロジック回路122によって構成されている。
(Vertical drive circuit)
The
垂直選択回路121は、例えば画素アレイ部11の行数に対応した段数の単位回路(シフト段)からなるシフトレジスタを主として構成され、シフトレジスタの各シフト段から順次シフトパルスSPを出力する。
The
ロジック回路122は、画素アレイ部11の各行につき3個の2入力AND回路1221,1222,1223によって構成され、垂直選択回路121から順次出力されるシフトパルスSPと、タイミングジェネレータ18(図1参照)から供給される先述した転送信号TRF、リセット信号RSTおよび選択信号SELを入力とする。
The logic circuit 122 includes three 2-input AND
AND回路1221,1222,1223は、垂直選択回路121から供給されるシフトパルスSPを各一方の入力としている。AND回路1221は、転送信号TRFを他方の入力とし、シフトパルスSPがアクティブのときに当該転送信号TRFを選択行の各画素20に供給する。
Each of the AND
AND回路1222は、リセット信号RSTを他方の入力とし、シフトパルスSPがアクティブのときに当該リセット信号RSTを選択行の各画素20に供給する。AND回路1223は、選択信号SELを他方の入力とし、シフトパルスSPがアクティブのときに当該選択信号SELを選択行の各画素20に供給する。
The AND
(画素の駆動信号)
図3に、単位画素20を駆動する駆動信号、より具体的には、選択トランジスタ25を駆動する選択信号SEL、リセットトランジスタ23を駆動するリセット信号RSTおよび転送トランジスタ22を駆動する転送信号TRFのタイミング関係の一例を示す。
(Pixel drive signal)
FIG. 3 shows the timing of the drive signal for driving the unit pixel 20, more specifically, the selection signal SEL for driving the
図3から明らかなように、リセット信号RSTは、時刻t1から時刻t2の期間でアクティブ(高レベル/電源電圧Vdd)状態になる。選択信号SELは、時刻t2よりも後の時刻t3から時刻t8の期間でアクティブ状態になる。転送信号TRFは、選択信号SELのアクティブ期間内における時刻t5から時刻t6の期間でアクティブ状態になる。 As is clear from FIG. 3, the reset signal RST is in an active (high level / power supply voltage Vdd) state during a period from time t1 to time t2. The selection signal SEL becomes active in a period from time t3 to time t8 after time t2. The transfer signal TRF becomes active during the period from time t5 to time t6 within the active period of the selection signal SEL.
このように、選択信号SELをアクティブ状態にするタイミングを、リセット信号RSTがアクティブ状態から非アクティブ状態へ遷移した後であって、ノードFDの電位をリセットレベルとして読み出す前に設定するようにした点が、本実施形態の特徴とするところである。 As described above, the timing for setting the selection signal SEL to the active state is set after the reset signal RST transitions from the active state to the inactive state and before the potential of the node FD is read as the reset level. However, this is a feature of this embodiment.
(回路動作)
続いて、図3のタイミングチャートを基に、図4〜図7のポテンシャル図を用いて、単位画素20の動作について説明する。
(Circuit operation)
Next, based on the timing chart of FIG. 3, the operation of the unit pixel 20 will be described using the potential diagrams of FIGS. 4 to 7.
時刻t1でリセットトランジスタ23がオンすると、増幅トランジスタ104のゲート入力部、即ちノードFDの電位が電源電圧Vddにリセットされる(図4参照)。次に、時刻t2でリセットトランジスタ23がオフした後、時刻t3で選択トランジスタ25がオン状態になる。
When the
このとき、リセットトランジスタ23がオフするタイミングで、リセットトランジスタ23の寄生容量によるカップリングによってノードFDの電位が下がり、ポテンシャルが一旦電源電圧Vddに対応したレベルよりも浅くなるが、その後の選択トランジスタ25がオンするタイミングで、選択トランジスタ25の寄生容量によるカップリングでノードFDの電位が上がり、ポテンシャルがリセットトランジスタ23のカップリングで浅くなったレベル(一点鎖線)よりも深くなる(図5参照)。
At this time, at the timing when the
ここで、ノードFDの電位が上がるということは、転送トランジスタ22がオンしたときの当該転送トランジスタ22のゲート下とノードFDとの間の電位差が大きくなり、ポテンシャル差が大きくなることを意味する。
Here, the increase in the potential of the node FD means that the potential difference between the gate of the
選択トランジスタ25がオンし、単位画素20が選択された状態において、時刻t4のタイミングでノードFDの電位がリセットレベルとして増幅トランジスタ24および選択トランジスタ25を通して画素出力線31に読み出される。画素出力線31に読み出されたリセットレベルに対応する電圧は、後段のCDS回路14(図1、図2参照)に読み込まれる。
In a state where the
次に、時刻t5で転送トランジスタ22がオンすることで、光電変換素子21で光電変換され、当該光電変換素子21に蓄積されていた電荷が転送トランジスタ22を通してノードFDに読み出される(図6参照)。
Next, when the
このとき、選択トランジスタ25の寄生容量によるカップリングによってノードFDの電位が上がった状態にあることで、転送トランジスタ22がオンしたときの当該転送トランジスタ22のゲート下とノードFDとの間の電位差が大きく、ポテンシャル差が大きいために、転送トランジスタ22による光電変換素子21からノードFDへの電荷転送の際に、電荷の読み残し(転送残り)の少ない転送が可能になる。
At this time, the potential difference between the node FD and the gate of the
そして、時刻t6で転送トランジスタ22がオフした後、時刻t7のタイミングでノードFDの電位が信号レベルとして増幅トランジスタ24および選択トランジスタ25を通して画素出力線31に読み出される(図7参照)。
Then, after the
画素出力線31に読み出された信号レベルに対応する電圧は、後段のCDS回路14に読み込まれる。CDS回路14は、先に読み込んでおいたリセットレベルと今回読み込んだ信号レベルとの差を取るCDS処理を行うことで、単位画素20ごとの固定パターンノイズ、より具体的には、増幅トランジスタ24の閾値電圧Vthのバラツキ等によって発生する固定的なパターンノイズをキャンセルする。
The voltage corresponding to the signal level read out to the pixel output line 31 is read into the
そして、CDS回路14に画素列ごとに保持されたCDS処理後の画素信号(固定パターンノイズがキャンセルされた本来の信号レベル)は、図2において、水平駆動回路15によって順に選択され、水平信号線141を通してAGC回路16(図1参照)等の後段の回路へ出力される。
The pixel signals after CDS processing (original signal levels with fixed pattern noise canceled) held in the
[本実施形態の作用効果]
上述したように、光電変換素子21、転送トランジスタ22、リセットトランジスタ23、増幅トランジスタ24および選択トランジスタ25を含む単位画素20が行列状に配置されたCMOSイメージセンサにおいて、選択信号SELをアクティブ状態にするタイミングを、リセット信号RSTがアクティブ状態から非アクティブ状態へ遷移した後であって、増幅トランジスタ24のゲート入力部(ノードFD)の電位をリセットレベルとして読み出す前に設定することにより、次のような作用効果を得ることができる。
[Operational effects of this embodiment]
As described above, in the CMOS image sensor in which the unit pixels 20 including the
リセットトランジスタ23がオンする前に選択トランジスタ25がオンする駆動タイミングの従来技術では、選択トランジスタ25がオンするタイミングで、選択トランジスタ25の寄生容量によるカップリングによってノードFDの電位が上がったとしても、リセットトランジスタ23によるリセット動作によってノードFDの電位が電源電圧Vddにリセットされ、その後のリセットトランジスタ23がオフするタイミングで、リセットトランジスタ23の寄生容量によるカップリングによってノードFDの電位が下がってしまう。
In the conventional technique of the driving timing when the
これに対して、リセット信号RSTがアクティブ状態から非アクティブ状態へ遷移した後に選択信号SELをアクティブにする駆動タイミングを採ることにより、リセットトランジスタ23の寄生容量によるカップリングによって下がったノードFDの電位を、その後に選択トランジスタ25がオンするタイミングで、選択トランジスタ25の寄生容量によるカップリングによってノードFDの電位を逆に持ち上げることができる。
On the other hand, by taking a drive timing to activate the selection signal SEL after the reset signal RST transitions from the active state to the inactive state, the potential of the node FD lowered by the coupling due to the parasitic capacitance of the
そして、ノードFDの電位が上がることで、転送トランジスタ22がオンしたときの当該転送トランジスタ22のゲート下とノードFDとの間の電位差(ポテンシャル差)が、リセットトランジスタ23がオンする前に選択トランジスタ25がオンする従来技術の場合よりも大きくなるために、転送トランジスタ22による光電変換素子21からノードFDへの電荷転送の際に、電荷の読み残し(転送残り)の少ない転送が可能になる。すなわち、従来と同じ回路構成のまま駆動タイミングを変更するだけで、光電変換素子21からノードFDへの電荷の転送をより確実に行うことが可能になる。
When the potential of the node FD increases, the potential difference (potential difference) between the gate of the
このように、光電変換素子21からノードFDへの電荷転送の際に、電荷の読み残しの少ない転送を実現できることにより、現フレームの画の情報が次フレームに残るのを回避できるために、特に動いている被写体を撮像する場合などにおいて、撮像画像の画質の向上を図ることが可能になる。
In this way, when the charge transfer from the
[他の実施形態1]
上記実施形態では、選択信号SELをアクティブ状態にするタイミングを、リセット信号RSTがアクティブ状態から非アクティブ状態へ遷移した後に設定するとしたが、図8のタイミングチャートに示すように、選択信号SELをアクティブ状態にするタイミングを、リセット信号RSTのアクティブ期間中、即ちリセット期間に設定するようにしてもよい。
[Other embodiment 1]
In the above embodiment, the timing at which the selection signal SEL is activated is set after the reset signal RST transitions from the active state to the inactive state. However, as shown in the timing chart of FIG. 8, the selection signal SEL is activated. The timing for setting the state may be set during the active period of the reset signal RST, that is, during the reset period.
このような駆動タイミングを採った場合には、リセットトランジスタ23によるリセット動作によってノードFDの電位を電源電圧Vddにリセットした後に、選択トランジスタ25がオンするタイミングで、選択トランジスタ25の寄生容量によるカップリングによってノードFDの電位を電源電圧Vddから上げることができるために、その後のリセットトランジスタ23がオフするタイミングで、リセットトランジスタ23の寄生容量によるカップリングによってノードFDの電位が多少下がったとしても、ノードFDの最終的な電位としては、リセットトランジスタ23がオンする前に選択トランジスタ25がオンする場合よりも高くすることができる。
When such a driving timing is adopted, coupling due to the parasitic capacitance of the
[他の実施形態2]
また、図9のタイミングチャートに示すように、先述した実施形態の駆動タイミング、即ち選択信号SELをアクティブ状態にするタイミングを、リセット信号RSTがアクティブ状態から非アクティブ状態へ遷移した後であって、ノードFDの電位をリセットレベルとして読み出す前に設定することに加えて、選択信号SELをリセット信号RSTがアクティブになる前の時刻ta でアクティブにし、リセット信号RSTが非アクティブになる前の時刻tb で非アクティブにする駆動タイミングを採ることも可能である。
[Other embodiment 2]
Further, as shown in the timing chart of FIG. 9, the driving timing of the above-described embodiment, that is, the timing of making the selection signal SEL active is after the reset signal RST transitions from the active state to the inactive state, In addition to setting the potential of the node FD before reading as a reset level, the selection signal SEL is made active at time ta before the reset signal RST becomes active, and at time tb before the reset signal RST becomes inactive. It is also possible to take the drive timing to make it inactive.
このような駆動タイミングを採った場合には、リセットトランジスタ23がオフするときの寄生容量によるカップリングの影響を画素出力線31から切り離すことができる。そして、リセットトランジスタ23がオフした後に選択信号SELを再びアクティブ状態にすることで、先述した実施形態の場合と同様の作用効果を得ることができる。図10に、リセット信号RSTが非アクティブになる時刻t2と選択信号SELを再びアクティブ状態になる時刻t3との間の時刻tc の各部のポテンシャル関係を示す。
When such drive timing is adopted, the influence of coupling due to parasitic capacitance when the
[変形例]
なお、本実施形態に係るCMOSイメージセンサは、ワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
[Modification]
Note that the CMOS image sensor according to this embodiment may be formed as a single chip, or a module having an imaging function in which an imaging unit and a signal processing unit or an optical system are packaged together. It may be a form.
また、本発明は、固体撮像素子への適用に限られるものではなく、撮像装置にも適用可能である。ここで、撮像装置とは、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、携帯電話機などの撮像機能を有する電子機器のことを言う。なお、電子機器に搭載される上記モジュール状の形態、即ちカメラモジュールを撮像装置とする場合もある。 In addition, the present invention is not limited to application to a solid-state image sensor, and can also be applied to an imaging apparatus. Here, the imaging apparatus refers to a camera system such as a digital still camera or a video camera, or an electronic device having an imaging function such as a mobile phone. Note that the above-described module form mounted on an electronic device, that is, a camera module may be used as an imaging device.
[撮像装置]
図11は、本発明に係る撮像装置の構成の一例を示すブロック図である。図11に示すように、本発明に係る撮像装置50は、レンズ群51を含む光学系、固体撮像素子52、カメラ信号処理回路であるDSP回路53、フレームメモリ54、表示装置55、記録装置56、操作系57および電源系58等を有し、DSP回路53、フレームメモリ54、表示装置55、記録装置56、操作系57および電源系58がバスライン59を介して相互に接続された構成となっている。
[Imaging device]
FIG. 11 is a block diagram showing an example of the configuration of the imaging apparatus according to the present invention. As shown in FIG. 11, the imaging device 50 according to the present invention includes an optical system including a
レンズ群51は、被写体からの入射光(像光)を取り込んで固体撮像素子52の撮像面上に結像する。固体撮像素子52は、レンズ群51によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この固体撮像素子52として、先述した各実施形態に係るCMOSイメージセンサが用いられる。
The
表示装置55は、液晶表示装置や有機EL(electro luminescence)表示装置等のパネル型表示装置からなり、固体撮像素子52で撮像された動画または静止画を表示する。記録装置56は、固体撮像素子52で撮像された動画または静止画を、ビデオテープやDVD(Digital Versatile Disk)等の記録媒体に記録する。
The
操作系57は、ユーザによる操作の下に、本撮像装置が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源系58は、DSP回路53、フレームメモリ54、表示装置55、記録装置56および操作系57の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
The
上述したように、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置において、その固体撮像素子52として先述した各実施形態に係るCMOSイメージセンサを用いることにより、当該CMOSイメージセンサでは、単位画素において光電変換素子から増幅トランジスタのゲート入力ノードへの電荷の転送をより確実に行うことができるために、特に動いている被写体を撮像する場合などにおいて、高画質の撮像画像を得ることができる。
As described above, in an imaging device such as a camera module for a mobile device such as a video camera, a digital still camera, or a mobile phone, by using the CMOS image sensor according to each embodiment described above as the solid-
10…センサチップ、11,11A,11B,11C…画素アレイ部、12…垂直駆動回路、13…シャッタ駆動回路、14…CDS回路、15…水平駆動回路、16…AGC回路、17…A/D変換回路、18…タイミングジェネレータ、20…単位画素、21…光電変換素子、22…転送トランジスタ、23…増幅トランジスタ、24…リセットトランジスタ、25…選択トランジスタ、31…画素出力線 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Sensor chip, 11, 11A, 11B, 11C ... Pixel array part, 12 ... Vertical drive circuit, 13 ... Shutter drive circuit, 14 ... CDS circuit, 15 ... Horizontal drive circuit, 16 ... AGC circuit, 17 ... A / D Conversion circuit, 18 ... timing generator, 20 ... unit pixel, 21 ... photoelectric conversion element, 22 ... transfer transistor, 23 ... amplification transistor, 24 ... reset transistor, 25 ... selection transistor, 31 ... pixel output line
Claims (4)
前記リセットトランジスタを駆動するリセット信号をアクティブ状態にし、前記リセット信号のアクティブ状態から非アクティブ状態への遷移後または前記リセット信号のアクティブ期間内に、前記選択トランジスタを駆動する選択信号をアクティブ状態にし、前記選択トランジスタのアクティブ期間内に前記転送トランジスタを駆動する転送信号をアクティブ状態にする駆動部と
を備えたことを特徴とする固体撮像素子。 A plurality of unit pixels including a photoelectric conversion element, a transfer transistor, a reset transistor, an amplification transistor, and a selection transistor are arranged, the unit pixel is selected by the selection transistor, a gate input node of the amplification transistor is reset by the reset transistor, A pixel array unit that transfers charges from the photoelectric conversion element to the gate input node of the amplification transistor by the transfer transistor;
A reset signal for driving the reset transistor is set in an active state, and after the transition of the reset signal from an active state to an inactive state or in an active period of the reset signal, a selection signal for driving the selection transistor is set in an active state, A solid-state imaging device comprising: a drive unit that activates a transfer signal that drives the transfer transistor within an active period of the selection transistor.
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像素子。 2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the driving unit further sets the selection signal to an active state before the reset signal becomes an active state, and sets the selection signal to an inactive state within an active period of the reset signal. .
前記リセットトランジスタによるリセット動作後またはリセット動作中に、前記選択トランジスタをオン状態にする
ことを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。 A plurality of unit pixels including a photoelectric conversion element, a transfer transistor, a reset transistor, an amplification transistor, and a selection transistor are arranged, the unit pixel is selected by the selection transistor, a gate input node of the amplification transistor is reset by the reset transistor, A method for driving a solid-state imaging device, wherein charge is transferred from the photoelectric conversion element to the gate input node of the amplification transistor by the transfer transistor,
The solid-state imaging device driving method, wherein the selection transistor is turned on after the reset operation by the reset transistor or during the reset operation.
前記リセットトランジスタを駆動するリセット信号をアクティブ状態にし、前記リセット信号のアクティブ状態から非アクティブ状態への遷移後または前記リセット信号のアクティブ期間内に、前記選択トランジスタを駆動する選択信号をアクティブ状態にし、前記選択トランジスタのアクティブ期間内に前記転送トランジスタを駆動する転送信号をアクティブ状態にする駆動部と、
入射光を前記固体撮像素子の撮像面上に結像する光学系と
備えたことを特徴とする撮像装置。 A plurality of unit pixels including a photoelectric conversion element, a transfer transistor, a reset transistor, an amplification transistor, and a selection transistor are arranged, the unit pixel is selected by the selection transistor, a gate input node of the amplification transistor is reset by the reset transistor, A solid-state imaging device that transfers charges from the photoelectric conversion element to the gate input node of the amplification transistor by the transfer transistor;
A reset signal for driving the reset transistor is set in an active state, and after the transition of the reset signal from an active state to an inactive state or in an active period of the reset signal, a selection signal for driving the selection transistor is set in an active state, A drive unit that activates a transfer signal that drives the transfer transistor within an active period of the selection transistor;
An imaging apparatus comprising: an optical system that forms an image of incident light on an imaging surface of the solid-state imaging device.
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